Типы газостатических опор и их применение

По принципу создания несущей способности газовые опоры разделяются на два больших класса. Подшипники, в которых создание избыточного давления в слое смазки осуществляется лишь за счёт относительного движения смазываемых поверхностей, называются газодинамическими. Такие подшипники имеют малую несущую способность, но в то же время, не требуют дополнительных устройств, для принудительной подачи смазки в зазор опоры.

Подшипники, в которых создание избыточного давления в слое смазки осуществляется путём принудительной её подачи в зазор через специальные отверстия (питатели) называются газостатическими. Такие подшипники обладают несущей способностью даже при отсутствии относительного движения смазываемых поверхностей.

Каждый тип подшипников имеет множество конструктивных решений. Выбор типа подшипника определяется предъявленными к нему требованиями.

В данном курсе ограничимся изучением газостатических подшипников. Газостатические подшипники применяются как в скоростных, так и в тихоходных машинах. Они допускают реверс (обратное движение) и обладают большей несущей способностью по сравнению с газодинамическими опорами, требуют меньшей точности изготовления, выдерживают постоянные и переменные нагрузки. Главным недостатком газостатических опор, является необходимость установки для подачи газа и очистки его от микрочастиц.

Газостатические опоры можно условно разделить на три группы:

1) упорные; 2) цилиндрические; 3) сферические.

На рис.6.1. показаны схемы таких подшипников: а - цилиндрический радиальный, б – плоский упорный, в – сферический радиально-упорный.

Для увеличения несущей способности, смазываемая поверхность газовой опоры может обладать сложным рельефом – канавками различной формы, карманами (Рис.6.2).

6.2. Уравнения газовой смазки

В общем случае состояние и течение газовой смазки в зазоре подшипника можно описать, исходя из уравнений движения вязкой жидкости (уравнений Навье – Стокса)

, (6.1)

уравнения неразрывности

, (6.3)

уравнения энергии

, (6.4)

где Ф - диссипативная функция,

уравнения состояния

, (6.5)

соотношение, связывающее вязкость и температуру,

, (6.6) где - соответствуют некоторому первоначальному состоянию газа.

К полученной системе уравнений необходимо присоединить уравнение движения подвижного элемента. Решение полученной системы существенно- нелинейных дифференциальных уравнений, даже численно, представляет сложную математическую задачу. Однако рассматриваемую задачу можно значительно упростить, если ввести ряд допущений классической теории газовой смазки:

1). Смазочное вещество может рассматриваться как сплошная среда. Такое допущение позволяет отвлечься от того факта, что любая среда состоит из дискретных частиц и рассматривать газовую смазку как некоторую сплошную среду;

2). Динамический коэффициент вязкости смазки не зависит от давления. Подобное допущение справедливо для газовых опор в связи с относительно небольшим избыточным давлением в зазоре подшипника.

3).Режим течения в смазочном слое является ламинарным.

Такое допущение надо понимать в том смысле, что из двух режимов течения жидкости и газа – ламинарного и турбулентного – в газовом слое преобладает ламинарный.

4).Тепловой режим в смазочном слое можно считать изотермическим. Такое предположение подтверждается экспериментальными данными, показывающими, что разогрев газового слоя при вращении ротора незначительный и не превышающий нескольких десятков градусов.

Уравнения Навье - Стокса можно существенно упростить, учитывая малую толщину смазочной плёнки h по сравнению с другими линейными размерами опоры. Анализируя порядок членов уравнения Навье – Стокса, с учётом того, что отношение H/R (зазора к радиусу подшипника) имеет порядок 10 , т.е. пренебрежительно мало по сравнению с единицей (R/R), приходим к уравнениям тонкого слоя.

Для упорного подшипника (Рис.6.2) в цилиндрической системе координат уравнения примут вид

; (6.7)

;

Слагаемые, входящие в левые части уравнений системы (6.7), отображают силы инерции, действующие на газовый слой в зазоре подшипника. При скоростях вращения до 30 – 40 тыс. об/мин. силами инерции можно пренебречь по отношению к вязким силам, определяемым слагаемыми при этом необходимо, чтобы отношение этих сил было много меньше единицы

, (6.8)

где V-скорость частицы газа; R-характерный размер (радиус подшипника); μ - средняя вязкость; H – величина зазора подшипника. В большинстве случаев соотношение (6.8) справедливо, однако, с ростом относительной скорости движения смазываемых поверхностей растёт. При значительных скоростях пренебрежение силами инерции приводит к погрешности в 10 и более процентов. Без учёта сил инерции уравнения (6.7) примут вид

(6.9)

Для того чтобы система уравнений, определяющая поведение газового слоя, бала замкнута, необходимо добавить к системе уравнений (6.9) уравнение неразрывности

(6.10)